CN102027228B - 水力发电设备 - Google Patents

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Abstract

一个用于产生电力的水力发电设备包括管道(1)，管道(1)具有上游部分(2)和下游部分(3)且被布置为输送水。阀门(5)设置在所述下游部分处并且可在阻碍水流动的关闭位置与允许水流动的打开位置之间调节。柱形部件(10)限定内部空间(11)并具有第一端部和第二端部。所述内部空间沿着中心轴线(x)远离管道延伸并在阀门处于关闭位置时经由第一端部从管道接收水。活塞(13)被设置在所述内部空间中且可以沿着中心轴线来回运动。所述活塞借助于在阀门处于关闭位置时出现的超压远离管道运动。所述活塞形成线性发电机的一部分，所述线性发电机响应于活塞的运动输出电力。

Description

水力发电设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于产生电力的水力发电设备。
背景技术
传统水力发电通常结合水坝和由液压头驱动的涡轮机。这种基于水坝的水力发电是高效的，但由于例如环境考虑或由于地形不适当，在许多地方可能不是很合适。此外，此类水力发电需要相当可观的初期投资并因此在河的能量密度低的地方不那么有利可图。其它水力发电解决方案可由自由涡轮或包围在管道中的涡轮组成，其以类似于例如风车的方式利用水流的速度。这类低能量设备需要是相当廉价的，以便实现可接受的经济效益。
WO-2007/076866公开了一种用于产生电力的水力发电设备。该设备包括管道，该管道具有上游部分和下游部分且被布置为输送水流。阀门部件设置在管道上并且可在阻碍水流经由下游部分离开管道的关闭位置和允许水流经由下游部分离开管道的打开位置之间调节。柱形部件限定内部空间并具有通道，该通道在内部空间与管道之间，处于下游部分的上游。该柱形部件沿着中心轴线远离管道延伸且被配置为至少在第一阀门部件处于关闭位置时接收来自水流的水。水经由立管线路从所述内部空间被输送到涡轮机。
US-6,546,723公开了另一种用于产生电力的水力发电设备。该设备包括管道，该管道具有上游部分和下游部分且被布置为输送水流。阀门部件设置在上游部分处并且可在关闭位置与打开位置之间调节。柱形部件限定内部空间并具有通道，该通道在内部空间与管道之间，处于下游部分的上游。该柱形件远离管道延伸且被配置为至少在第一阀门部件处于关闭位置时接收来自所述水流的水。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合于产生电力的改进的水力发电设备。特别地，其旨在一种可以用于从具有相对低的速度的流动的水产生电力的水力发电设备。
借助于最初限定的并具有如下特征的水力发电设备来实现此目的，所述设备包括活塞，所述活塞被设置在柱形内部空间中，可沿着中心轴线来回运动并借助于至少在第一阀门部件处于关闭位置时出现的超压朝向第二端部运动，并且该活塞形成线性发电机(electricallinear generator)的第一部分，该线性发电机响应于活塞的运动输出电力。
借助于此类水力发电设备，可以以高效的方式从水流获得电力。水力发电设备适合于还在水的流速低时获得电力。所述水力发电设备具有简单的结构并因此可以以相对低的成本制造和安装。
根据本发明的实施例，所述线性发电机具有设置在所述柱形内部空间外面并围绕所述活塞的第二部分。有利地，所述第一部分可以包括一组磁体，而所述第二部分可以包括电绕组。
根据本发明的另一实施例，所述柱形部件的第二端部是打开的。
根据本发明的另一实施例，所述设备包括用于控制第一阀门部件的位置的控制装置。
根据本发明的另一实施例，所述控制装置被配置为响应于所述活塞的位置来控制第一阀门部件的位置。有利地，所述控制装置可以于是包括传感器和控制器，所述传感器感测所述活塞的位置，所述控制器响应于由所述传感器感测的位置来控制第一阀门部件的位置。
根据本发明的另一实施例，所述控制装置被配置为响应于管道中的水流速度来控制第一阀门部件的位置。所述控制装置可以于是包括翼形元件，所述翼形元件设置在第一阀门部件上且被配置为当通过管道的水流速度超过一定水平时使第一阀门部件从打开位置运动至关闭位置。
根据本发明的另一实施例，所述设备包括第二管道和第二阀门部件，所述第二管道具有上游部分和下游部分且被布置为输送水，所述第二阀门部件设置在所述第二管道的下游部分处且可在关闭位置与打开位置之间调节，所述关闭位置阻碍水经由所述下游部分离开所述第二管道，所述打开位置允许水经由所述下游部分离开第二管道，其中，所述柱形内部空间在下游部分的上游与第二管道连通，并且其中，所述柱形内部空间被配置为至少在第二阀门部件处于关闭位置时从第二管道接收水。有利的，所述控制装置可被配置为还控制所述第二阀门部件的位置。
根据本发明的另一实施例，所述水力发电设备被配置为至少在第一阀门部件处于打开位置时提供使活塞沿着相反方向远离外端运动的反作用力。这样，当活塞远离外端运动和朝着外端运动时，都将会产生电力。
根据本发明的另一实施例，所述柱形部件和所述活塞被如此配重，使得由沿相反方向作用在活塞上的重力来提供所述反作用力。在替代方式或补充方式中，还可以由沿相反方向作用在活塞上的弹簧来提供所述反作用力。
根据本发明的另一实施例，其中，所述柱形内部空间的外端是关闭的，允许在所述活塞与所述外端之间形成充气空间，并且其中，所述充气空间提供沿相反方向作用于所述活塞的反作用力。
根据本发明的另一实施例，其中，在所述活塞沿相反方向运动时，所述活塞将迫使水从所述柱形内部空间经由通道流向管道。替代地或作为补充，在所述活塞沿相反方向运动时，所述活塞将迫使水经由设置在所述柱形部件上的排出阀部件从所述柱形内部空间流出。有利地，所述控制装置可以被配置为还控制所述排出阀部件的位置。
根据本发明的另一实施例，所述柱形内部空间经由所述第一端部与所述第二管道连通，并且其中，所述第一阀门部件在所述第二阀门部件处于打开位置时处于关闭位置，并且所述第一阀门部件在所述第二阀门部件处于关闭位置时处于打开位置。所述第一阀门部件的关闭位置可以于是允许水从第一管道流入所述柱形内部空间，其中，所述第二阀门部件的关闭位置可以允许水流入所述第二管道的柱形内部空间。
根据本发明的另一实施例，所述柱形内部空间经由所述第二端部与所述第二管道连通。
附图说明
现在将通过各种实施例的说明及参照附图来更仔细地解释本发明。
图1示意性地公开了根据本发明的第一实施例的水力发电设备的侧视图，其中阀门部件处于关闭位置。
图2示意性地公开了图1的水力发电设备的侧视图，其中阀门处于打开位置。
图3示意性地公开了根据本发明的第二实施例的水力发电设备的侧视图。
图4示意性地公开了根据本发明的第三实施例的水力发电设备的侧视图。
图5示意性地公开了根据本发明的第四实施例的水力发电设备的侧视图。
图6公开了沿图1中的线VI-VI的剖视图。
图7公开了本发明的第五实施例的与图6中的剖视图类似的剖视图。
图8示意性地公开了根据本发明的第六实施例的具有两个管道的水力发电设备的从上方看的视图。
图9示意性地公开了根据本发明的第七实施例的具有两个管道的水力发电设备的从上方看的视图。
具体实施方式
图1和图2示意性地公开了根据本发明的水力发电设备的第一实施例。所述水力发电设备被布置为设置在流动的水中以便产生电力。所述流动的水可以是任何种类的水流，例如河、水道、湖、在位于不同高度的水槽之间设置的沟渠等。所述水力发电设备适合于输送形成流动的水的一部分的水流并吸收该水流的能量。
所述水力发电设备包括第一管道1，第一管道1具有上游部分2、下游部分3以及上游部分2与下游部分3之间的中间部分4。第一管道1被布置为以一个流速沿着箭头A的方向通过管道1的内部输送水，参见图2。第一阀门部件5设置在下游部分3处且可在(参见图1)阻碍水经由下游部分3离开第一管道1的关闭位置与允许水经由下游部分3离开第一管道1的打开位置之间调节。当第一阀门部件5处于关闭位置时，第一管道1的内部中的水的流速将因此被减小并接近于零，参见图1。
所述水力发电设备包括限定柱形内部空间11的柱形部件10。在所公开的实施例中，柱形部件10设置在管道1的附近。柱形部件10具有第一端部12和第二端部18。柱形内部空间11经由第一端部12与第一管道1的内部连通。柱形部件1沿着柱形内部空间11的中心轴线x从在下游部分3上游的位置远离第一管道1延伸。柱形内部空间11被配置为至少在第一阀门部件5处于关闭位置时，但是可能也在第一阀门部件5接近关闭位置时，从管道中的水接收水。在所公开的实施例中，中心轴线x平行于或基本平行于竖直方向延伸。另外，中心轴线x垂直于或基本垂直于第一管道1的中心轴线延伸。应注意的是中心轴线x可以相对于第一管道1的中心轴线沿着其它方向延伸。此外，第一管道1不一定具有如所公开的实施例中所示的径直延伸。
所述水力发电设备还包括活塞13，活塞13设置在柱形内部空间11中，可沿着中心轴线x在其中来回运动。柱形部件10被配置为借助于止动部件22来防止活塞13在外端18处和在内端处离开所述柱形内部空间。22，尤其是在内端处的止动部件，可以被构造为一个或多个台肩。还可以在内端处提供网或过滤器状部件，充当止动部件并分离碎屑及其它颗粒以免进入内部柱形空间11。
活塞13形成线性发电机的第一部分或转子，线性发电机响应于活塞13的运动输出电力。所述线性发电机还具有设置在柱形内部空间11外面并围绕活塞13的第二部分或定子。所述第一部分包括一组磁体14，其例如围绕活塞的外围均匀分布，而第二部分包括电绕组16。应注意的是，可以在活塞13中提供电绕组并在柱形内部空间11外面提供一组磁体。
柱形部件10的外端18和柱形内部空间11远离第一管道1。在图1和图2所公开的第一实施例中，外端18借助于孔口19向周围环境打开。活塞13被配置为至少在第一阀门部件5运动至关闭位置时借助于由水流产生的临时超压朝着外端18运动。所述超压将促使水从第一管道1的内部流入柱形内部空间11，由此迫使活塞13朝向外端18。
水力发电设备还被配置为至少在第一阀门部件5已被打开并因此处于打开位置时提供使活塞13沿着相反方向远离外端18运动的反作用力，参见图2。在图1和图2所公开的实施例中，柱形部件10和活塞13被如此配置，使得由在第一阀门部件5打开时沿相反方向作用在活塞13上的重力来提供反作用力。因此，活塞的重量将提供使活塞13沿相反方向运动所需的反作用力。活塞13可以具有比水低、与水相同或比水高的密度。因此，当第一阀门部件5处于打开位置时，活塞13将迫使水在活塞13沿着相反方向运动时经由通道12从柱形内部空间11流向第一管道1。应注意的是，线性发电机将在活塞13朝着外端18运动时以及在活塞沿相反方向运动时产生电力。
在图3中公开的第二实施例中，由沿相反方向作用在活塞上的弹簧20来提供反作用力。弹簧20在外端18处设置在柱形内部空间11中。弹簧20被构造为压缩弹簧，其在第一阀门部件5关闭或朝着关闭位置运动时，在水流使活塞朝着外端运动时被压缩。当第一阀门部件5打开时，弹簧将有助于沿着相反方向推动活塞13。应注意的是，在所有实施例中可以为具有相同功能的组件提供相同的附图标记。
在第一和第二实施例中，活塞13被配合在柱形内部空间11中，以便在活塞13的外表面与限定柱形内部空间11的柱形内表面之间可存在小的间隙。这样，保证了用于活塞13的运动的低摩擦。
在图4所公开的第三实施例中，柱形内部空间11的外端18被关闭，允许在活塞13与外端18之间形成充气空间。所述充气空间将充当弹簧并以与第二实施例中的弹簧相同的方式提供沿相反方向作用于活塞13的反作用力。可以提供机构21，用于通过向充气空间引入或从充气空间排出气体来控制并调节充气空间中的压力。在第三实施例中，活塞13被配合在柱形内部空间11中以借助于适当的活塞环(未示出)来密封限定柱形内部空间11的柱形内表面。
所述水力发电设备还包括用于控制第一阀门部件5的位置的控制装置。在第一和第三实施例中，所述控制装置被配置为响应于活塞13的位置来控制第一阀门部件5的位置。例如，所述控制装置可以于是包括传感器31和控制器32，传感器31感测活塞13的位置，控制器32响应于由传感器31感测的活塞位置经由致动器33来控制第一阀门部件5的位置。控制器32可以被配置为当活塞13已运动到外端18附近的外部位置时借助于致动器33来发起并执行第一阀门部件5的打开。然后，活塞13将沿着相反方向开始其运动远离外端18。然后，控制器32被配置为当活塞已运动至通道12附近的内部位置时发起并执行第一阀门部件5的关闭。
作为替代，所述控制装置还可以被配置为响应于第一管道1中的水流速度来控制第一阀门部件5的位置。可以借助于感测在第一管道1的内部位于第一阀门部件5上游的流速的传感器来执行此类控制。在第二实施例中，所述控制装置包括翼形元件34，翼形元件34设置在第一阀门部件5上且被配置为当通过第一管道1的水流速度超过一定水平时使第一阀门部件6从打开位置运动至关闭位置。当第一阀门部件5已到达关闭位置且水流的速度已减小时，第一阀门部件5的重量将使第一阀门部件5朝着打开位置运动。
在图5中公开的第四实施例中，所述水力发电设备包括设置在柱形部件10上的排出阀部件25。排出阀部件25可在活塞13朝着外端18运动时的关闭位置与活塞13沿相反方向运动时的打开位置之间调节。因此，活塞13在沿着相反方向运动时将迫使水经由排出阀部件25从柱形内部空间11流出。如图5所示，控制装置的控制器32可以被配置为还响应于活塞13的位置经由另一致动器35来控制排出阀部件25的位置。
如图6所示，活塞13和柱形内部空间11可以具有圆形截面。可以提供一个或多个引导元件40以引导活塞13并防止活塞绕中心轴线x旋转。活塞13和柱形内部空间11还可以具有其它截面形状，例如，如图7所示的椭圆形截面。
应注意的是，可以将排出阀部件25与上述不同的反作用力产生方案组合，且不仅仅与如图5所示由重力来提供作用于活塞13的反作用力的实施例组合。并且，可以将自控的第一阀门部件与上述不同的反作用力产生方案组合，且不仅仅与如图3所示由弹簧20来提供作用于活塞13的反作用力的实施例组合。
图8公开了第六实施例，其与先前的实施例的不同之处在于提供两个管道，即第一管道1和第二管道1’。并且，第二管道1’具有上游部分2’、中间部分4’和下游部分3’，并且被布置为输送水。第二阀门部件5’被设置在第二管道1’的下游部分3’处且可在阻碍水经由下游部分3’离开第二管道1’的关闭位置与允许水经由下游部分3’离开第二管道1’的打开位置之间调节。柱形内部空间11经由第一端部12与第一管道1和第二管道1’两者连通。柱形内部空间11因此被配置为交替地从第一管道1和第二管道1’接收水。于是，第一阀门部件5在第二阀门部件5’处于打开位置时处于关闭位置，并且第一阀门部件5在第二阀门部件5’处于关闭位置时处于打开位置。因此，第一阀门部件5的关闭位置允许水从第一管道1流入柱形内部空间11，并且第二阀门部件5’的关闭位置允许水流入第二管道1’的柱形内部空间11。在每个循环的一部分期间，第一阀门部件5和第二阀门部件5’均处于打开位置，然后，排出阀25打开以允许活塞11沿着相反方向从第二端部18运动至第一端部12。所述控制装置被配置为还以与第一阀门部件5相同的方式来控制第二阀门部件51的位置，并控制排出阀25。
图9公开了水力发电设备的第七实施例，其也设置有两个管道，即第一管道1和第二管道1’。在第七实施例中，柱形内部空间11经由第一端部12与第一管道1连通并经由第二端部18与第二管道1’连通。水被交替地引入柱形内部空间11中以推动活塞来回运动。在本实施例中，因此不需要用于提供使活塞13沿着相反方向远离第二端部运动的任何特定装置，而是将由第二管道1’的流来提供反作用力。
本发明不限于所公开的实施例，而是可以在所附权利要求的范围内进行变更和修改。
应注意的是，可以在上述每个实施例中提供多于一个的柱形部件10，其各自具有活塞13和线性电机。柱形部件10可布置成相互平行。

Claims (22)

1.一种用于产生电力的水力发电设备，包括：
至少第一管道(1)，其具有上游部分(2)和下游部分(3)且被布置为输送水，
第一阀门部件(5)，其设置在所述下游部分(3)处并且能够在关闭位置与打开位置之间调节，所述关闭位置阻碍水经由所述下游部分(3)离开所述第一管道(1)，所述打开位置允许水经由所述下游部分(3)离开所述第一管道(1)，
柱形部件(10)，其限定柱形内部空间(11)并具有第一端部(12)和第二端部(18)，其中，所述柱形内部空间(11)经由所述第一端部(12)在所述下游部分(3)的上游与所述第一管道(1)连通，并且其中，所述柱形内部空间(11)沿着中心轴线(x)远离所述第一管道(1)朝着所述第二端部(18)延伸且被配置为至少在所述第一阀门部件(5)处于关闭位置时从所述第一管道(1)接收水，
其特征在于，所述水力发电设备包括活塞(13)，所述活塞(13)被设置在所述柱形内部空间(11)中，能够沿着所述中心轴线(x)来回运动并借助于至少在所述第一阀门部件(5)处于关闭位置时出现的超压朝着所述第二端部(18)运动，并且所述活塞(13)形成线性发电机的第一部分，所述线性发电机响应于所述活塞(13)的运动输出电力。
2.如权利要求1所述的水力发电设备，其中，所述线性发电机具有设置在所述柱形内部空间(11)外面并围绕所述活塞(13)的第二部分。
3.如权利要求2所述的水力发电设备，其中，所述第一部分包括一组磁体(14)。
4.如权利要求2所述的水力发电设备，其中，所述第二部分包括电绕组(16)。
5.如权利要求1所述的水力发电设备，其中，所述第二端部(18)是打开的。
6.如权利要求1所述的水力发电设备，其中，所述水力发电设备包括用于控制所述第一阀门部件(5)的位置的控制装置。
7.如权利要求6所述的水力发电设备，其中，所述控制装置被配置为响应于所述活塞(13)的位置来控制所述第一阀门部件(5)的位置。
8.如权利要求7所述的水力发电设备，其中，所述控制装置包括传感器(31)和控制器(32)，所述传感器(31)感测所述活塞(13)的位置，所述控制器(32)响应于由所述传感器(31)感测的位置来控制所述第一阀门部件(5)的位置。
9.如权利要求8所述的水力发电设备，其中，所述控制装置被配置为响应于所述第一管道(1)中的水流速度来控制所述第一阀门部件(5)的位置。
10.如权利要求9所述的水力发电设备，其中，所述控制装置包括翼形元件(33)，所述翼形元件(33)设置在所述第一阀门部件(5)上且被配置为当通过所述第一管道(1)的水流速度超过一定水平时使所述第一阀门部件(5)从所述打开位置运动至所述关闭位置。
11.如权利要求1所述的水力发电设备，其中，所述水力发电设备包括第二管道(1’)和第二阀门部件(5’)，所述第二管道(1’)具有上游部分(2’)和下游部分(3’)且被布置为输送水，所述第二阀门部件(5’)设置在所述第二管道(1’)的下游部分(3’)处且能够在关闭位置与打开位置之间调节，所述关闭位置阻碍水经由所述下游部分(3’)离开所述第二管道(1’)，所述打开位置允许水经由所述下游部分(3’)离开所述第二管道(1’)，其中，所述柱形内部空间(11)在所述下游部分(3’)的上游与所述第二管道(1’)连通，并且其中，所述柱形内部空间(11)被配置为至少在所述第二阀门部件(5’)处于关闭位置时从所述第二管道(1’)接收水。
12.如权利要求11所述的水力发电设备，其中，所述水力发电设备包括用于控制所述第一阀门部件(5)的位置的控制装置，并且其中，所述控制装置被配置为还控制所述第二阀门部件(5’)的位置。
13.如权利要求1所述的水力发电设备，其中，所述水力发电设备被配置为至少在所述第一阀门部件(5)处于打开位置时提供使所述活塞(13)沿着相反方向远离所述第二端部(18)运动的反作用力。
14.如权利要求13所述的水力发电设备，其中，所述柱形部件(10)和活塞(13)被如此配置，使得由沿相反方向作用在所述活塞(13)上的重力来提供所述反作用力。
15.如权利要求13所述的水力发电设备，其中，由沿相反方向作用在所述活塞(13)上的弹簧来提供所述反作用力。
16.如权利要求13所述的水力发电设备，其中，所述柱形内部空间(11)的第二端部是关闭的，允许在所述活塞(13)与所述第二端部(18)之间形成充气空间，并且其中，所述充气空间提供沿着相反方向作用在所述活塞(13)上的反作用力。
17.如权利要求13所述的水力发电设备，其中，在所述活塞(13)沿着相反方向运动时，所述活塞(13)将迫使水经由通道(12)从所述柱形内部空间(11)流向所述第一管道(1)。
18.如权利要求13所述的水力发电设备，其中，在所述活塞(13)沿相反方向运动时，所述活塞(13)迫使水经由与所述柱形部件(10)相关联的排出阀部件(25)从所述柱形内部空间(11)流出。
19.如权利要求18所述的水力发电设备，其中，所述水力发电设备包括用于控制所述第一阀门部件(5)的位置的控制装置，并且其中，所述控制装置被配置为还控制所述排出阀部件(25)的位置。
20.如权利要求11所述的水力发电设备，其中，所述柱形内部空间(11)经由所述第一端部(12)与所述第二管道(1’)连通，并且其中，所述第一阀门部件(5)在所述第二阀门部件(5’)处于打开位置时处于关闭位置，并且所述第一阀门部件(5)在所述第二阀门部件(5’)处于关闭位置时处于打开位置。
21.如权利要求20所述的水力发电设备，其中，所述第一阀门部件(5)的关闭位置允许水从所述第一管道(1)流入所述柱形内部空间(11)，并且其中，所述第二阀门部件(5’)的关闭位置允许水流入所述第二管道(1’)的柱形内部空间(11)。
22.如权利要求11所述的水力发电设备，其中，所述柱形内部空间(11)经由所述第二端部(18)与所述第二管道(1’)连通。
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